Wie Laserpulse Protone dirigieren
Forscher manipulieren mit ultrakurzen Lichtblitzen die Anordnung der Atome in Kohlenwasserstoffmolekülen
Forscher der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) haben mit Licht Kohlenwasserstoffe umgebaut. Dazu lösten sie mit ultrakurzen Laserpulsen eines der äußeren Wasserstoffatome an einem Kohlenwasserstoffmolekül und dirigierten es anschließend auf die gegenüberliegende Seite. Dort dockte das Proton wieder an.
Laserphysiker dirigieren mit Licht Atome in Molekülen: Ein Laserpuls trifft auf ein Kohlenstoffmolekül, löst von dessen einem Ende ein Wasserstoffatom, das dann am anderen Ende wieder andockt.
Alexander Gelin
Die experimentellen Beobachtungen und ihr grundlegender Mechanismus wurden mittels quantenmechanischer Simulationen der Arbeitsgruppe von Professor Regina de Vivie-Riedle vom Department Chemie der LMU erklärt. Mit einem nur wenige Femtosekunden langen Laserpuls beeinflussten die Physiker um Professor Matthias Kling, Leiter der Arbeitsgruppe Ultraschnelle Nanophotonik an der Fakultät für Physik der LMU, die Schwingungen eines Acetylen-Moleküls: Noch mit dem gleichen Lichtpuls konnten sie das Ablösen eines bestimmten – des linken oder des rechten – Wasserstoffatoms erzwingen. Die Wanderung des Wasserstoffatoms auf die andere Seite fand dann im ionischen Zustand des Moleküls von alleine statt. Es bildet sich Vinyliden. Neben Acetylen haben die Forscher auch Allen, das ebenfalls zur Gruppe der Kohlenwasserstoffe gehört, auf diese Weise umgebaut. Sie konnten damit zeigen, dass ihre Methode auch für längerkettige Kohlenwasserstoffe funktioniert.
Bewegungen von Elektronen und Atomen sind elementare Vorgänge bei chemischen Prozessen in der Natur. Mit Lasertechnologie ist der Mensch heute schon bedingt in der Lage, auf diese Bewegungen Einfluss zu nehmen. „Unsere Experimente haben gezeigt, dass wir nicht nur Elektronen im Mikrokosmos dirigieren können, sondern auch die rund 2000 Mal schwereren Wasserstoffatome“, erklärt Matthias Kling. „Für den zugrunde liegende Mechanismus ist in beiden Fällen die Wellennatur der kontrollierten Teilchen verantwortlich“ erläutert Regina de Vivie-Riedle.
Die Forscher haben es mit ihrem Versuch geschafft, mit Licht Materie neu zu definieren. „Wir hoffen, mit unserer Methode künftig die verschiedensten Arten von Stoffen zerlegen und neu zusammensetzen zu können“, sagt Kling. Eine solche, lichtgesteuerte Synthese von Materie könnte es künftig ermöglichen, ganz neue Stoffe zu erschaffen. Gerade in der Medizin und dem damit verbundenen Design neuer Medikamente ist diese Perspektive reizvoll.
Originalveröffentlichung
M. Kübel et al.; "Steering Proton Migration in Hydrocarbons Using Intense Few-Cycle Laser Fields"; Phys. Rev. Lett.; 116, 193001 – Published 12 May 2016
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